(57)【要約】【課題】  自動焦点調節の制御にかかる時間を低減することができる光学装置を提供する。【解決手段】  合焦レンズ１の透過光を受光して撮像信号を出力する撮像素子２と、撮像素子２からの撮像信号に基づき焦点評価値を演算する演算手段４と、焦点評価値に応じて合焦レンズ１を光軸方向の所定ステップ位置に移動させる駆動手段３とを備え、合焦レンズ１は各ステップ位置においてそれぞれ被写界深度の範囲内に設定された合焦距離範囲を有し、駆動手段３による合焦レンズのステップ位置はこのステップ位置における合焦レンズ１の合焦距離範囲と２段階離れたステップ位置における合焦レンズ１の合焦距離範囲とが重複しないように設定されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合焦レンズの透過光を受光して撮像信号を出力する撮像素子と、該撮像素子からの撮像信号に基づき上記合焦レンズの焦点調節状態に応じて変化する焦点評価値を演算する演算手段と、該演算手段で演算された焦点評価値に応じて上記合焦レンズを光軸方向の所定ステップ位置に移動させる駆動手段とを備えた光学装置において、
上記合焦レンズは各ステップ位置においてそれぞれ被写界深度の範囲内に設定された合焦距離範囲を有し、上記駆動手段による合焦レンズのステップ位置は該ステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲と２段階離れたステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲とが重複しないように設定されていることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
上記駆動手段による合焦レンズのステップ位置は該ステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲が隣接するステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲と１０％以下の範囲で重複するように設定されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
上記合焦レンズが有する合焦距離範囲は前方被写界深度の範囲と後方被写界深度の範囲の両方を含むことを特徴とする請求項１または２記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動焦点調節を行う撮影光学系を有した光学装置に関し、特にレンズを所定のステップ位置に基づいて移動させることで自動焦点調節を行う光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カメラなどの光学装置における自動焦点調節方式として、コントラスト方式と呼ばれるものが知られている。これは、被写体を撮像素子で撮像し、当該撮像素子の所定エリア内における撮像信号を用いて合焦位置を決めるものであり、所定エリアのコントラストに応じた焦点評価値がピークとなる位置を見出すことで合焦位置を検出するものである。
【０００３】
自動焦点調節のため、撮像素子に結像するためのレンズをステップモータにより光軸に沿って移動させ、いわゆる山登り制御と呼ばれる手法により焦点評価値がピークとなる位置を見出す。山登り制御は、レンズを光軸に沿って移動させながら所定のステップ位置ごとに焦点評価値を演算し、そこからピーク位置となるステップ位置を見出すものである。このような手法により自動焦点調節を行う光学装置としては、例えば特許文献１や特許文献２に挙げるものがある。
【特許文献１】特開２００３−３０７６６９号公報
【特許文献２】特開２００３−３１５６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の自動焦点調節においては、レンズを移動させるステップ位置をできるだけ細かく取ることによって焦点調節の精度をよくしていた。図８は、従来の光学装置における山登り制御のステップ数を示したものである。この図の横軸はステップ位置を、縦軸は焦点評価値を示しており、ステップ位置は０番から３４番までの３５分割されているものとし、２６番の位置がピーク位置であるものとする。
【０００５】
図８に示すように、まずステップ位置の５番ごとに焦点評価値を求める。５ステップ目までは焦点評価値は増加し、６ステップ目で焦点評価値が減少する。したがって、この時点では４ステップ目の２０番から６ステップ目の３０番までの間にピーク値があることがわかる。そこで、７ステップ目は再び４ステップ目の２０番の位置まで戻って、以後２番ごとに焦点評価値を求めていく。
【０００６】
すると、１０ステップ目までは焦点評価値が増加し、１１ステップ目で焦点評価値が減少するので、さらに１２ステップ目で１０ステップ目の２６番の位置まで戻ってピーク値を確定する。このように、ステップ位置を３５分割した場合には、最大で１２ステップが必要となる。
【０００７】
焦点調節の精度を上げるためにステップ位置の分割数を細かくすると、このように焦点評価値のピーク値を見出すためのステップ数が多くなって、レンズ位置を決定するための制御に時間を要することになり、応答性が悪化する。
【０００８】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、自動焦点調節の制御にかかる時間を低減することができる光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明に係る光学装置は、合焦レンズの透過光を受光して撮像信号を出力する撮像素子と、該撮像素子からの撮像信号に基づき上記合焦レンズの焦点調節状態に応じて変化する焦点評価値を演算する演算手段と、該演算手段で演算された焦点評価値に応じて上記合焦レンズを光軸方向の所定ステップ位置に移動させる駆動手段とを備えた光学装置において、
上記合焦レンズは各ステップ位置においてそれぞれ被写界深度の範囲内に設定された合焦距離範囲を有し、上記駆動手段による合焦レンズのステップ位置は該ステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲と２段階離れたステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲とが重複しないように設定されていることを特徴として構成されている。
【００１０】
また、本発明に係る光学装置は、上記駆動手段による合焦レンズのステップ位置は該ステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲が隣接するステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲と１０％以下の範囲で重複するように設定されていることを特徴として構成されている。
【００１１】
さらに、本発明に係る光学装置は、上記合焦レンズが有する合焦距離範囲は前方被写界深度の範囲と後方被写界深度の範囲の両方を含むことを特徴として構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光学装置によれば、合焦レンズのステップ位置は該ステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲と２段階離れたステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲とが重複しないように設定されていることにより、被写界深度の範囲の重複を少なくしてより少ないステップ位置で所望の合焦距離の範囲をカバーすることができるので、自動焦点調節の制御にかかる時間を低減することができる。
【００１３】
また、本発明に係る光学装置によれば、合焦レンズのステップ位置は該ステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲が隣接するステップ位置における合焦レンズの合焦距離範囲と１０％以下の範囲で重複するように設定されていることにより、各ステップ位置における合焦距離範囲の重複を少なくできるので、より少ないステップ位置で所望の合焦距離の範囲をカバーすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態について図面に沿って詳細に説明する。図１は、本実施形態における光学装置の構成図である。この図に示すように、本実施形態における光学装置は、合焦レンズ１からの透過光を撮像素子２で受光するように構成されてなるものである。撮像素子２は、受光面２ａ上に結像された被写体５の像の光強度に応じた電気信号を出力する光電変換素子であって、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサにより構成される。
【００１５】
また、合焦レンズ１は、駆動手段３により光軸６の方向に移動自在とされている。さらに、撮像素子２には、撮像信号に基づいて合焦レンズ１の焦点調節状態に応じて変化する焦点評価値を演算する演算手段４が設けられている。駆動手段３は、演算手段４で演算された焦点評価値に基づいて合焦レンズ１を光軸方向に移動させるもので、ステップモータにより構成される。
【００１６】
駆動手段３は、移動可能範囲内に複数のステップ位置が設定されており、合焦レンズ１は駆動手段３によりいずれかのステップ位置に配置される。撮像素子２は、合焦レンズ１がステップ位置を移動するごとに被写体５を撮像し、所定エリア内における撮像信号を演算手段４に送信する。撮像信号を受信した演算手段４は、コントラスト法に基づき焦点評価値を演算する。
【００１７】
駆動手段３はさらに、演算手段４で演算された焦点評価値がピーク値となるステップ位置に合焦レンズ１を移動させる。そのための制御手法としていわゆる山登り制御が用いられる。その制御については後述する。
【００１８】
図２には、合焦レンズ１と被写体の距離（Ｌ）に対する合焦レンズ１と撮像素子２の距離（Ｒ）の関係を示している。合焦レンズ１の焦点距離をｆとすると、ＬとＲの間には、（１／Ｌ）＋（１／Ｒ）＝１／ｆの関係が成り立つ。ここで、本実施形態の合焦レンズ１の焦点距離ｆは４．７１ｍｍであるものとすると、ＬとＲは図２のような関係となる。ここでは、この図に示す範囲のうち、Ｌが０．１ｍから無限遠の範囲について合焦できるように合焦レンズ１を移動させる。
【００１９】
図３には、ステップ位置を３５分割した場合における、ステップ位置と合焦距離（Ａ）との関係を示している。ステップ位置を変化させることで、合焦レンズ１と撮像素子２の距離（Ｒ）が変化し、それに伴ってＡも変化する。
【００２０】
ここで、撮像素子２で結像できる合焦距離には被写界深度のために一定の範囲がある。図３に示した合焦距離は、撮影しようとする被写体の１点が撮像素子２において１点に結像されるための距離である。これよりも被写体までの距離が長い場合には、結像する位置が撮像素子２よりも後方となるために、撮像素子２上では一定の大きさを有した円となる。また、被写体までの距離が短い場合には、結像する位置が撮像素子２よりも前方となるために、これも撮像素子２上では一定の大きさを有した円となる。しかし実際には、撮像素子２において結像する大きさが１点よりも大きくなっても、画素は一定の大きさを有していることなどにより、被写体までの距離の所定範囲については被写界深度として合焦の許容範囲とすることができる。
【００２１】
被写界深度には、被写体までの距離が図３に示す距離より短い場合の前方被写界深度（Ｌｆ）と、図３に示す距離より長い場合の後方被写界深度（Ｌｒ）とがあって、それぞれ以下の式で表される。ここで、Ｌは被写体までの距離、Ｆはレンズの絞り値、ｆはレンズの焦点距離、δは撮像素子２上における結像の円の大きさの許容範囲である許容錯乱円径である。
【００２２】
【数１】
2007025381.tif 000003
【００２３】
【数２】
2007025381.tif 000004
【００２４】
図４には、ステップ位置とこれら各式により算出される被写界深度との関係を示している。本実施形態では、レンズの絞り値は２．８、レンズの焦点距離は４．７１ｍｍ、許容錯乱円径は７μｍとしている。図４に示すように、各ステップ位置の被写界深度は、隣接するステップ位置の被写界深度と相当部分が重複している。また、２段階ないし３段階離れたステップ位置の被写界深度とも重複している。上述のように被写界深度の範囲は合焦の許容範囲であるので、被写界深度が重複している範囲については、重複する他のステップ位置でも合焦していることになる。
【００２５】
例えば、ステップ位置１番の被写界深度の範囲は、ステップ位置０番やステップ位置２番、及びステップ位置３番の被写界深度の範囲と、図４のハッチングで示す範囲で重複しており、ステップ位置０番とステップ位置３番の被写界深度の範囲で全てをカバーしている。また、ステップ位置２番の被写界深度の範囲についても、ステップ位置０番とステップ位置３番の被写界深度の範囲で全てをカバーしている。したがって、ステップ位置１番とステップ位置２番がなくても、ステップ位置０番またはステップ位置３番によってそれらの範囲について合焦を行うことができる。
【００２６】
このように、所定の合焦距離範囲について被写界深度の範囲を求め、各ステップ位置での被写界深度の重複範囲を少なくし、かついずれのステップ位置の被写界深度の範囲にも入らない領域がないように、すなわち所定範囲の全てをカバーするようにステップ位置を設定することで、最低限のステップ位置で所定範囲に渡る合焦を行うことができる。
【００２７】
図５には、０．１ｍから１００ｍまでの合焦距離範囲についてのステップ位置の設定を示している。この図の横軸には合焦レンズ１と撮像素子２の距離を取っている。図中の２本の破線間が被写界深度の範囲であって、０．１ｍから１００ｍの合焦距離範囲について、もれなくカバーできるようにステップ位置を設定すると、図に示すように５つの位置が定まる。この例では各ステップ位置における被写界深度がほとんど重ならないように設定しているが、１０％程度重なるように設定してもよい。いずれにしても、あるステップ位置の被写界深度に対して２段階離れたステップ位置における被写界深度が重なることがないようにステップ位置を設定する。
【００２８】
これら５つのステップ位置を合焦レンズ１について設定することにより、０．１ｍから１００ｍの合焦距離範囲については、５つのステップ位置のいずれかで被写界深度の範囲に入るので、合焦が可能となる。なお、合焦距離が１００ｍ以上の範囲については、図２にも示すように合焦レンズ１と撮像素子２の距離はほとんど変化しないので、合焦距離の最も長い部分をカバーするステップ位置を用いることで、ほぼ合焦した状態を得ることができる。
【００２９】
次に、合焦を行うための山登り制御について説明する。図６には、本実施形態の光学装置における山登り制御のステップ数を示している。この図に示すように、本実施形態の光学装置においては、合焦レンズ１のステップ位置は上述のように５個所設定されており、ステップ位置１番から順に焦点評価値を求める。この例では４ステップ目までは焦点評価値は増加し、５ステップ目で焦点評価値が減少する。したがって４ステップ目にピーク値があることが分かるので、再びステップ位置４番に戻って制御を終了する。すなわちこの場合には６ステップで焦点調節がなされる。
【００３０】
図６の例ではステップ位置４番にピーク値がある場合を示したが、それ以外の位置にピーク値がある場合にはさらに少ないステップ数で焦点調節を行うことができる。すなわち、本例では最大６ステップで焦点調節することができる。図８に示した従来の光学装置の例では、ステップ位置を３５個所に設定して山登り制御を行っているが、この場合には最大で１２ステップが必要である。このようにステップ位置を被写界深度を考慮して最低限の数とすることで、焦点調節のためのステップ数を減らすことができ、自動焦点調節にかかる時間を低減することができる。
【００３１】
被写界深度を算出する際の許容錯乱円径については、撮像素子２を構成する画素の大きさに応じて設定することができ、許容錯乱円径を所定値に設定することによってステップ位置の設定も定まる。これまで説明した例では、許容錯乱円径を７μｍとしたが、これを１５μｍとした場合のステップ位置の設定について説明する。図７には、許容錯乱円径を１５μｍとした場合における合焦レンズ１と撮像素子２の距離と合焦距離との関係を表した図を示している。
【００３２】
図７に示す２本の破線間が被写界深度の範囲であって、０．１ｍから１００ｍの合焦距離範囲について、もれなくカバーできるようにステップ位置を設定すると、図に示すように３つの位置が定まる。このように、撮像素子２を構成する画素が大きい場合に許容錯乱円径を大きくすると、一つのステップ位置に対する被写界深度の範囲が広がり、より少ないステップ位置で合焦距離の所定範囲をカバーすることもできる。
【００３３】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明の適用はこの実施形態に限られるものではなく、その技術的思想の範囲内において様々に適用されうるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態における光学装置の構成図である。
【図２】合焦レンズと被写体の距離（Ｌ）に対する合焦レンズと撮像素子の距離（Ｒ）の関係を表した図である。
【図３】ステップ位置を３５分割した場合における、ステップ位置と合焦距離（Ａ）との関係を表した図である。
【図４】ステップ位置と被写界深度との関係を表した図である。
【図５】合焦レンズと撮像素子の距離と合焦距離との関係を表した図である。
【図６】本実施形態の光学装置における山登り制御のステップ数を示した図である。
【図７】許容錯乱円径の設定値が異なる場合における合焦レンズと撮像素子の距離と合焦距離との関係を表した図である。
【図８】従来の光学装置における山登り制御のステップ数を示した図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    合焦レンズ
２    撮像素子
３    駆動手段
４    演算手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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